基于用戶分組的D2D通信資源分配方案

員陳軍, 王曉湘, 王冬宇

（北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室,北京 100876）

0 引言

下一代寬帶蜂窩移動通信系統中以基站為中心的通信方式存在局限性,系統仍存在覆蓋和容量等方面的問題。研究表明D2D通信技術在節省資源、減小干擾和提升傳輸效率等多方面有巨大優勢。因此D2D通信技術成為近幾年業界研究的熱點[1-3]。OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）的接入模式作為一種高速數據接入的模式,被LTE系統所采用。因此,假設該混合網絡中的UE,包括蜂窩模式和D2D模式,均采用相同參數的OFDMA接入方式,以便于資源的充分利用[4-5]。在參考文獻[6]中,采取將特定的資源分配給D2D通信的方式。用分配特定資源方式來代替與蜂窩通信共享資源方式的優點是:D2D通信不會干擾蜂窩通信,反過來蜂窩通信也不會干擾D2D通信,所得結果是系統變得更簡單了。但是這種方案的負面影響是:蜂窩通信會話期間的效率并沒有增加,蜂窩鏈路的通信時隙仍只被一條蜂窩鏈路所占用。在參考文獻[7]中,D2D通信共享蜂窩鏈路的頻譜。在這種情況下,D2D鏈路會擾亂正常的蜂窩通信,同時蜂窩通信也將會對處于接收狀態的D2D節點造成干擾,特別是當BS發送信號給靠近小區邊緣的節點,同時D2D接收機又位于靠近BS的位置時。它的優點是可為D2D通信提供更多的可用帶寬,是頻譜利用率得到大幅度的增加。

D2D用戶復用蜂窩小區用戶資源時,可以利用功率控制來減少用戶組間的干擾。然而,隨著小區頻率復用因子越來越高,相同頻帶的相鄰用戶組之間的干擾就越來越嚴重,甚至會導致小區性能的嚴重衰減。因此需要對相鄰用戶組間進行干擾協調。

若D2D通信分配到正交的信道資源時,它不會對原來的蜂窩網絡中的通信造成影響。若D2D通信被分配到非正交的信道資源時,D2D通信將會對蜂窩鏈路中的接收端造成干擾。所以,在通信負載較小的網絡中,可以為D2D通信分配多余的正交的資源,這樣顯然可以取得更好的網絡總體性能。但是,由于蜂窩網絡中的資源有限,考慮到通信業務對頻率帶寬的要求越來越高,而采用非正交資源共享的方式可以使網絡有更高的資源利用效率。這也是在蜂窩網絡中應用D2D通信的主要目的。

文中在D2D用戶組與小區用戶組之間,利用用戶組間協調資源分配方案能夠有效的減少用戶組間的干擾IUI。在參考文獻[8-9]中,介紹了3種資源分配方案:

非正交共享模式（NOS）:D2D用戶和小區用戶復用相同的資源,彼此之間會產生干擾,可以通過基站對兩條鏈路進行干擾協調。

正交共享模式（OS）:D2D通信被分到一部分特定的小區資源,剩下的小區資源分配給普通的小區用戶,因此小區用戶通信和D2D通信之間不存在干擾。分配給小區用戶通信和D2D用戶通信的資源需要進進行一步優化。

蜂窩小區模式（CM）:D2D用戶之間通過基站彼此進行通信,基站被看做是中繼節點。分配給每一個用戶的資源需要進行進一步優化。注意:這種模式的D2D通信在概念上與傳統蜂窩小區通信是相同的。

文中提出一種解決D2D用戶組間干擾問題的新方案,這種方案能夠使D2D用戶組在不同的情況下對NOS和OS這兩種共享方案進行結合。首先,在地理位置上相鄰的小區邊緣D2D用戶被分成一個組,稱它為D2D用戶組（DG）,給這個DG分配小區部分正交資源,未分配的資源分配給蜂窩小區用戶,稱它為小區用戶組（CG）。因此,當DG處于輕負載工作時,D2D用戶利用預先分配的部分正交資源通信,提出的方案能夠有效的避免用戶組間的干擾;隨著DG鏈路負載的增加,預先分配的部分正交資源不能滿足DG現有的通信時,即DG處于滿鏈路負載狀態,DG采用用戶組間協商的方式復用CG的頻率資源,以避免小區的阻塞率,使更多的用戶得到小區服務。因此,該方案能夠根據鏈路負載的大小進行自適應,有效地降低用戶組間的干擾,提高小區吞吐量,降低小區阻塞率。

1 系統模型

在多用戶組的OFDMA系統中,D2D共享蜂窩小區的采用下行信道資源。小區邊緣地區,地理位置相鄰較近的用戶采用D2D方式實現通信。小區邊緣D2D通信模式的用戶分組如圖1所示。把 N個子載波中的一個子載波稱為頻域的基本資源單位。采用AMC來滿足不同傳輸數據的速率要求,相同信道的所有子載波采用相同的MCS等級。假設D2D用戶的數據服務采用排隊的方式,那么對D2D用戶的資源分配在時域表現為用戶到用戶的循環使用。

圖1 小區邊緣D2D通信用戶分組模型

2 提出的資源分配方案

考慮到OS和NOS現有的優點和缺點,針對DG提出了一種新奇

的資源分配方案。該方案分為兩步:第一步,小區用戶分組;第二步,分配子載波序列。第一步定義資源分配的基本單元,第二步定義為DG分配的子載波序列。

2.1 小區用戶分組

在OFDMA系統中,小區邊緣的D2D用戶進行通信,發起會話過程的細節如圖2所示。

假設用戶k需要對用戶j發起D2D會話,那么用戶k首先需要給它的服務基站發送會話發起請求信息。一旦服務基站收到該請求信息,它要求用戶 k和用戶j返回D2D通信的可行性分析和可利用資源的測量結果。然后,用戶k和用戶j返回基站要求的測量結果,基站根據用戶返回的信息估計D2D通信在對應頻率資源中的傳輸速率。如果基站判斷用戶k和用戶j之間的D2D通信比傳統的基站作為中繼的通信方式能夠實現更高的數據傳輸速率,那么在用戶k和用戶j之間建立新的D2D通信會話。用戶k和用戶j稱為一對D2D用戶對,地理位置相鄰的D2D用戶對被分在一組,組成DG。

圖2 D2D發起過程

2.2 分配子載波序列

DG子信道的獲得分為兩步:OBTAIN OS和OBTAIN NOS。

OBTAIN OS:起初,小區資源的全部子信道被分為兩部分子信道序列集,分別記作F1和F2:

其中 fi為第i條子信道（i=1,2,…,M）,M為小區資源子信道總數目,N為DG擁有的子信道數目,即F1的信道資源被分配給DG,CG只允許接入F2進行通信。如圖1所以,DG預先分配的子信道并不與CG分配的子信道重疊。當DG處于輕鏈路負載時,DG中的用戶能夠以設備允許的最大傳輸速率和MCS等級直接接入F1進行通信,DG并不會對C產生干擾。

OBTAIN NOS:當處于過鏈路負載狀態的DG用完小區資源分配初始階段預先分配的子信道資源時,仍有部分DG中用戶需要通信。這時,DG將對CG發起子信道資源的借用請求信息,借用請求信息中包含DG中用戶與任意DG中其他用戶進行D2D通信時的最小傳輸功率P。

如果CG中有空閑的子信道資源,那么CG直接返回ACK,宣布可以借用子信道資源。然后,基站分配CG中的空閑子信道資源給DG。DG以接入F1時一樣的功率和MCS等級接入該子信道。如果CG沒有空閑的子信道資源,那么CG返回NACK,如圖3所示。

如果CG并沒有空閑的子信道資源,基站將會隨機的選擇F2中的子信道i給DG中的用戶進行通信。這時CG中正在使用子信道i進行通信的用戶i將會得到一個新的SINR:

PLi和SLi分別表示用戶i和其服務基站之間的路徑損耗和陰影損耗,SNRi為分配給用戶i的子信道的信噪比,P為DG中D2D用戶與其它用戶通信時所需的最小發送功率,PL0為用戶i與DG間的路徑損耗。因此,DG對子信道i產生的干擾為（P-PL0）。

用戶i利用接收到的信息估計受到DG干擾時的SINR,進而決定能否用更低的MCS等級來維持當前服務。若低MCS等級不能滿足當前服務的要求,則返回NACK拒絕接入請求,基站將重新選擇、計算和決定其它子信道為DG服務;否則,CG返回ACK聲明協調成功,基站為DG分配子信道 i,如圖4所示。

因此,可以根據鏈路負載動態地進行資源分配的調節,從而最大化頻譜利用率。盡管共享非正交資源不如共享正交資源那樣能夠給小區帶來更多的吞吐量,但是共享非正交資源能夠有效的降低阻塞率。DG中,一部分通信用戶接入正交資源,另一部分通信接入非正交資源,這種資源分配方案能夠在小區吞吐量和小區阻塞率之間得到一種折中。

圖3 簡單的借用過程

圖4 子信道的分配、重選過程

3 仿真結果分析

首先給出系統仿真的參數,主要的仿真參數如表1所示,并對前面提出的新的資源分配方案進行仿真。仿真場景如下:仿真取單個蜂窩用戶,給定蜂窩用戶的空間位置以及發送功率等相關參數。在不同地理位置上放置單個D2D用戶,DG的傳統資源共享模式是NOS,根據地理位置分布情況將用戶分為CG和DG用戶,位于整個小區覆蓋區域外圍1/20范圍的用戶定義為小區邊緣DG用戶,其他用戶定義為CG用戶。假設用戶均勻分布在整個區域,分配1/40的子信道資源給DG用戶。每個活躍用戶只允許分配一個子信道,因此,用活躍用戶的數量除以所有子信道的數量,即可很容易的得到DG鏈路負載比例。分配子信道時,在所有可用子信道中隨機選擇一個進行分配,同時,在組水平的資源分配中引入輪流調度的方式進行用戶的調度。

表1 仿真參數

圖5 不同SIN R下累積相對頻率變化的規律

圖6 不同DG鏈路負載情況下用戶阻塞率變化的規律

仿真結果如下:文中提出的方案所得出用戶的SINRs與累計相對頻率的關系如圖5中所示。所有用戶的SINR均分布在-15.8dB和25.3dB之間。由于LTE系統中的編碼調制方案不支持SINR低于-10dB的用戶通信過程[10],因此在傳統共享模式的資源分配方案中,將有20%的用戶不能正常通信。然而,在提出的資源分配方案中,用戶的最低SINR為-9.1dB,所有用戶均可以與其它用戶正常通信。另外,相比傳統共享模式的資源分配方案,文中提出的方案中,所有用戶的SINR平均提高8dB,提高了小區的整體性能。

圖6展示了在文中提出的方案和傳統方案中,小區用戶阻塞率隨著DG鏈路負載增加的變化關系。隨著DG鏈路通信量的增加,提出的方案能大幅度降低小區用戶的阻塞概率。在滿鏈路負載狀態下,提出的方案與傳統方案相比,小區用戶的阻塞率降低了約20%。仿真結果表明利用動態資源分配算法和用戶間組IUIC協調方案能夠給顯著的系統性能,并能夠根據DG鏈路負載情況實現子信道的有效分配。

4 結束論

D2D通信能夠提高移動網絡的頻譜利用效率,并且能夠提升空中接口的容量,但是與蜂窩用戶共享無線資源時會造成傳統蜂窩用戶組和D2D用戶組之間產生有害干擾。為了有效的解決這一問題,提出一種解決D2D用戶組間干擾問題的新方案,該方案同時分配正交資源和非正交資源給DG,在減小IUI的同時,最大化頻譜利用率。仿真結果表明該方案在使用相同資源同時操作時,頻譜效率能夠得到尤為明顯的提高,并且當鏈路處于滿負載狀態時能夠有效減小小區用戶的阻塞概率,從而提高整個系統的吞吐量。

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